3D технологии

3D технологии расширяют возможности

Опубликовано в номере:
Как специалисты по системам управления могут быстро увеличить производительность линии? Сторонники программного обеспечения PLM (управления жизненным циклом изделия) говорят, что расширить технологические рамки может 3D-моделирование, имитация процессов и виртуальный ввод в эксплуатацию.
Трехмерная информация может быть очень полезной для понимания, модернизации и проверки правильности выполнения производственных операций.

Рис. Трехмерная информация может быть очень полезной для понимания, модернизации и проверки правильности выполнения производственных операций.

Трехмерное моделирование и имитация работы гибких производственных модулей обеспечивают в настоящее время реальные преимущества. Производители оборудования для автомобильной промышленности и авиационно-космические компании стремятся расширить свои функциональные возможности и требуют, чтобы их поставщики принимали в этом активное участие. Производители станков и системные интеграторы могут убедиться, что 3D-моделирование производственной линии помогает получать новые заказы и оперативнее выполнять их. Те, кто давно использует эту технологию, хотели бы расширить функции, а небольшие компании — принять активное участие в этом процессе. Всем необходима большая гибкость и эффективность, а для этого требуется интегрированное программное обеспечение. Поставщики PLM стремятся ответить на эти запросы.

«Цель среды PLM — сделать модели и средства имитации доступными совершенно новым группам пользователей из самых разных областей, превращая трехмерную информацию в эффективную среду коммуникаций», – говорит Джулиано Мендонка, инженер по разработке продукции компании Embraer, производителя промышленной, коммерческой и военный авиатехники, располагающейся в Сан-Пауло, Бразилия. Компания, обладающая самым большим в стране инженерным персоналом в 2400 человек, использует программное обеспечение 3D-моделирования Catia V5 от Dassault Systemes и модельный подход к изменению конструкции, основанный на сравнительном конструировании и имитации сборки. Мендонка, возглавляющий группу инженеров, разрабатывавших первые модели небольших самолетов Embraer, способствовал более активному использованию 3D-моделирования сборочных операций и планирования производства на самых ранних стадиях разработки продукции, что позволило, по его словам, «значительно снизить количество ошибок при сборке и избежать дорогостоящих исправлений».

PLM — стратегическая бизнес-технология, поддерживаемая множеством программных продуктов, цель которой — совместное создание, управление, распространение и использование информации о продукции, которая включает как данные CAD/CAE (систем автоматизированного проектирования и конструирования), так и производственные данные.

«С точки зрения программного обеспечения, инструменты CAD/CAE помогают определить — «что» будет создано. Далее эта информация автоматически поступает в систему управления производственными процессами [MES] для управления реальным производством. Основные решения PLM обеспечивают интеграцию и управление этими инструментами и процессами», — объясняет Кен Аман, руководитель научно-исследовательских работ консалтинговой компании CIMdata Inc., специализирующейся на решениях PLM.

Появление PLM связано с приложениями управления данными по изделиям (PDM), которые разрабатывались в 80-х годах прошлого века для конструкторских отделов, а теперь развиваются для выполнения полной последовательности действий — от разработки продукта и его производства до обслуживания и необходимой модернизации. Моделирование процессов и моделирование производства — ключевые компоненты так называемого «оцифрованного производства».

 

Уверенное управление изменениями

Улучшения программного обеспечения PLM позволяют записывать и повторно использовать информацию в виде трехмерных изображений, таких, например, как

Рис. Улучшения программного обеспечения PLM позволяют записывать и повторно использовать информацию в виде трехмерных изображений, таких, например, как приложения Tecnomatix FactoryCAD (на заднем плане) и Process Simulate Robotics Изображения любезно предоставлены Siemens

Преимущества использования этих инструментов и достижений программного обеспечения связаны с большей гибкостью в проектировании производственных линий и «с возможностью провести необходимые изменения быстро и с большей степенью уверенности в их правильности», — говорит Алайн Иунг, вице-президент по маркетингу программного продукта Tecnomatix от Siemens PLM Software. Будь эти изменения в производимом продукте, внедрение новых или модифицированных продуктов, непредвиденные изменения в подсистемах или попытки улучшения действующих операций, самое главное — возможность грамотно управлять этими изменениями.

Точечные решения по стимуляции и моделированию упрощают работу для отдельных задач ручного управления или гибких линий, и успех наглядно виден при разработках роботизированных участков. CAD системы создают модели устройств и выполняют механическое моделирование работы роботизированных участков. Следующий шаг — интеграция данных различных участков и моделирование работы элементов управления для разработки системного подхода к PLM.

«Моделирование технологических процессов, материальные потоки, оптимизация работы цеха, отслеживание материалов. Все это нужно учесть, чтобы обеспечить рентабельность предприятия, — говорит Иунг. — Точечных решений на основе моделирования недостаточно. Вы можете разработать прекрасное оборудование, создать отличную производственную линию и продукт с великолепным дизайном, но вам необходимо увидеть систему целиком, чтобы предвидеть изменения. Клиентам интересны такие вещи, как более совершенный сбор информации о продукте и повторное использование процесса. Удовлетворить этот интерес можно только с помощью интегрированного решения».

В компании Kuka Systems Corporation, располагающейся в Детройте и являющейся подразделением системной интеграции Kuka Group, хорошо понимают ценность изменений и необходимость гибкого подхода. Компания работает с заказчиками из автомобильной, аэрокосмической и транспортной промышленности. Джим Пакига, руководитель проекта, говорит: «Мы работали над тысячей заказов и в состоянии выполнять 50 проектов в год. Ситуация с проектированием остается прежней, инженеры еще разрабатывают продукты в то время, когда мы разрабатываем процессы. Нам необходимы инструменты, совмещающие эти процессы. В действительности очень часто мы обнаруживаем, что производители комплектного оборудования утверждают технологический процесс раньше, чем мы получаем заказ».

Группа инженеров-проектировщиков компании собирается для анализа достижений в других отраслях, ищет новые и доказавшие свою эффективность технологии и предлагает модели процессов. «Наши внутренние процессы помогают сохранять эффективность, но средства трехмерного моделирования и имитации ускоряют все операции, — утверждает Пакига, — и мы стараемся использовать эти инструменты на все 100%».

 

«Работать согласованно», чтобы стать гибче

Инженеры компании Kuka используют продукты Tecnomatic Process Designer и Process Simulate для создания виртуального представления (справа) завода обработки неокрашенных кузовов компании Chrysler (фото ниже). Источник: Kuka Sytems Corp.

Рис. Инженеры компании Kuka используют продукты Tecnomatic Process Designer и Process Simulate для создания виртуального представления (справа) завода обработки неокрашенных кузовов компании Chrysler (фото ниже).

Отчет компании Aberdeen Group «Цифровое планирование производства — согласованная разработка продукции и технологии», представленный в ноябре 2007 г., дает следующий совет, который может помочь повысить эффективность планирования и гибкость проектирования производственных линий. Отчет побуждает компании использовать в своей работе следующие элементы:

  • Производственная ведомость материалов (mBOM). Лучшие компании разрабатывают mBOM одновременно с ведомостью конструкционных материалов (eBOM), создаваемой на этапе проектирования. В результате весь процесс сокращается. Для поддержки проектирования создайте mBOM в системе управления данными изделия, чтобы упростить распространение изменений.
  • Проектирование оборудования, линий и производственных участков. Лучшие в отрасли компании не ждут окончания проекта для того, чтобы начать планирование размещения оборудования. Они начинают раньше в стремлении сократить сроки календарного плана. Также централизованно управляйте планами размещения оборудования и контролируйте их выполнение. В этом случае вам будет проще соблюдать график при изменениях продукта.
  • Руководства по эксплуатации с использованием трехмерной графики. Лучшие в отрасли компании создают свою документацию на основе трехмерной графики. В результате они не только повышают эффективность применения средств проектирования, но и сокращают этап планирования производства. Наконец, компании централизованно управляют всеми поставками, что позволяет им поддерживать изменения продукции.
  • Программирование роботов. Начните писать программное обеспечение до завершения проекта и централизованно управляйте закупкой оборудования. Программируйте роботов не только в автономном режиме, но и проверяйте их работу с помощью виртуальной среды запуска в эксплуатацию.

В Kuka Systems используют программное обеспечение Tecnomatix Process Designer и Process Simulate от Siemens для создания трехмерных макетов системы, называемых виртуальными представлениями системы (virtual system representation — VSR). Деннис Капа, специалист по планированию производства, утверждает, что работа в автомобильной промышленности заставляет «планировать выпуск на нашей производственной линии четвертой модели автомобиля, когда инженеры-конструкторы еще не знают, как будет выглядеть эта четвертая модель».

При запуске нового проекта, инженеры Kuka не обязательно начинают с черновиков. «В Kuka существуют неоднократно проверенные планы разработки новой продукции, плюс программное обеспечение отдела закупок, связывающее и/или транслирующее другие инженерные программы. Это позволяет нашей компании использовать текущую информацию и архив выполненных проектов. Мы также просматриваем веб-сайты различных поставщиков и загружаем необходимую для модели информацию. Сейчас очень много информации о последних технологических достижениях, и наша работа — найти ее и использовать наиболее эффективно».

Более высокая степень интеграции программного обеспечения PLM позволяет пользователям сократить затраты времени на создание собственных трансляторов и поиск в Интернете. Когда Dassault Systemes и Rockwell Automation объявили в конце 2007 г. о намерении объединить Delmia Automation PLM и Rockwell RS Logix, сотрудник Rockwell Мартин Канелл заметил, что клиенты компании уже осуществляют такую интеграцию. «Здесь нет ничего нового. Они уже создают свои собственные последовательности необходимых действий и стандартные рабочие процедуры. Мы лишь действительно завершаем этот процесс, помогая сделать это реальной системой, которой они могут управлять в программной структуре и получать несомненную пользу от информации».

 

Как планировать для достижения гибкости

В вышедшем в ноябре 2007 г. отчете, подготовленном компанией Aberdeen Group, рассказывается о том, как ведущие производители («лучшие в своей отрасли») используют цифровые производственные инструменты и технологии, и как этого успеха могут достичь другие. «Компании сталкиваются со схожими сложностями, когда пытаются улучшить процессы планирования производства, — говорит Чад Джексон, директор по разработкам и обслуживанию. –Что отличает лучших в своей области от отстающих, так это то, что лидеры разрабатывают производственные процессы и продукцию в общей программной среде…».

При совместной разработке планирование производственного процесса рассматривается уже на этапе проектирования продукта. «Такой подход позволяет компаниям проверить технологичность и совершенствовать производственные процессы на ранней стадии проектирования продукта путем координации знаний инженеров по продукции, технологов и производственного персонала в общей среде. В результате проект завершается быстрее и эффективнее, уменьшается время ввода оборудования в эксплуатацию, повышается производительность и ускоряется выход на рынок», — отмечает Джексон.

General Motors — одна из лучших в отрасли компаний, которая «все больше и больше использует цифровые модели процессов для их запуска и для поддержки производства», — говорит Ричард Вудхед, руководитель инженерной компании GME IS&S, сотрудники которой обслуживают глобальную IT-инфраструктуру General Motors. Эта инфраструктура позволяет технологам работать независимо и использовать лучшие наработки 11 дизайн-центров, 13 инженерных центров и более чем 160 производств по всему миру.

В своем выступлении на конференции Delmia Worldwide Customer в 2007 г. Вудхед отметил: «Многие автопроизводители сейчас занимаются фундаментальной модернизацией производственных процессов. За последние 7-8 лет мы достигли колоссального прогресса. Раньше использовалась двумерная среда проектирования, многие операции выполнялись вручную, и архив проектов хранился в бумажном виде или в локальной файловой системе. Теперь мы отказались от всех ручных процедур при разработке чертежей и составлении производственных документов».

 

Виртуальный ввод в эксплуатацию: шаг за шагом

Программные продукты Delmia V5 Automation и Delmia PLM Express позволяют организовать виртуальный ввод в эксплуатацию роботизированных линий. Ниже перечислены этапы этого процесса:

  1. Получение утвержденной структуры линии из пакета моделирования/создания роботов (RSU/WBU) и генерация внутренней логики (IL) для каждого автоматизированного (интеллектуального) устройства.
  2. Интеграция других интеллектуальных устройств (устройств управления), взаимодействующих с ПЛК, и определение монтажной схемы линии.
  3. Дополнительно: определение управляющей последовательности и утверждение режима работы линии.
  4. Определение входов/выходов, соединенных с ПЛК.
  5. Проверка работы ПЛК в нормальном режиме.
  6. Проверка всех возможных сценариев работы

Вудхед говорит, что это повлекло за собой «фундаментальную переработку всех наших бизнес-процессов», и стало результатом «инициативы вице-президентов компании, приложивших личные усилия для продвижения цифрового производства». GM организует идентичную структуру своих предприятий по всему миру, применяя приложения различных производителей. Это также означает, что помимо партнерства с Dassault Systemes, GM использует решения Siemens/UGS.

«Мы начинали с создания продуктов, затем перешли к разработке производственных процессов, и сейчас на предприятиях мы обслуживаем базы данных и инфраструктуру визуализации, а также IT/сетевую инфраструктуру, — сообщил Вудхед. — Разработка производственных процессов ведется в более сложной среде, нежели разработка продукции. Это заставляет нас искать самого лучшего партнера в своем классе. Важный вопрос — может ли все это быть объединено достаточно гладко?».

Вудхед и другие специалисты считают, что может, и это принесет большие преимущества. Работа в виртуальной трехмерной среде позволяет GM:

  • Создать систематические цифровые виртуальные оценки, которые гарантируют, что продукция и технологическая подготовка производства соответствуют требованиям производства GM;
  • Создать все необходимое сначала в цифровом виде, что позволить исключить повторное создание в натуральном виде деталей, транспортных средств, инструментов или сборочных процессов.
  • Исключить запросы на изменения в процессе производства;
  • Использовать опыт высококвалифицированного персонала без дорогостоящих командировок.

«Мы организовали места для виртуальных оценок, в которых группы специалистов с предприятий участвуют в анализе результатов цифрового проектирования, а производственная группа использует цифровые инструменты производства и информацию для утверждения своего проекта, — говорит Вудхед. — Два или три года назад для запуска в эксплуатацию требовалось присутствие десятков и сотен специалистов в одном месте. Виртуализация стала главной действующей силой самой большой модернизации, проведенной нашей компанией. Наши ключевые процессы на 90% стали цифровыми».

Одно из преобразований, которое еще впереди, — это создание системы виртуального запуска в эксплуатацию. «Виртуальное управление и пусконаладка предлагают нам огромные возможности, — отмечает Вудхед. — Мы гордимся тем, что можем в нашей программе осуществить проверку логики системы управления, объединив ПЛК и HMI без реально работающего оборудования».

 

Виртуальный ввод в эксплуатацию

Виртуальный ввод в эксплуатацию механизмов — это Святой Грааль программного обеспечения моделирования, отчасти потому, что обещает связать воедино различные технологические дисциплины. «Инженеры-разработчики в США имеют неограниченную власть, — говорит вицепрезидент компании Delmia Питер Шмидт. — Если они говорят «измените» [продукт], производственную линию переделывают. В Японии напротив производство гораздо важнее. Они говорят: «Докажите мне, что ваше изменение не повлияет на качество моей продукции, тогда я позволю вам сделать это. Виртуальный запуск решает эту проблему».

В статье, вышедшей в 2007 г. в журнале Production Engineering, авторы Гюнтер Рейнхарт и Георг Вюнш обсуждают тему «Экономическая оценка виртуального запуска для систем мехатронного производства». В ней они говорят, что «метод, называемый «виртуальным вводом в эксплуатацию», позволяет инженерам-разработчикам программного обеспечения систем управления с самого начала принимать участие в проектировании системы и решать важные вопросы в начале создания производственного оборудования». Авторы анализируют технологическую и экономическую масштабируемость виртуального запуска и представляют техническую концепцию масштабируемой среды моделирования.

Специалисты по системам управления всегда являются самым важным звеном при тестировании и отладке системы управления, необходимой для работы всего комплекса, — говорит Валери Дюклер, инженер по решениям компании Dassault Systemes Delmia. — Иногда они не могут гарантировать, что производство начнется в запланированное время и с ожидаемой эффективностью. Опасность ошибок и время запуска системы в рабочий режим становятся наиболее значимыми факторами при определении производительности и прибыльности».

Программы Delmia V5 Automation и Delmia PLM Express уже сегодня позволяют осуществлять виртуальный ввод в эксплуатацию. С помощью модуля Smart Device Builder специалисты по системам управления «создают и утверждают библиотеку мехатронных интеллектуальных приборов, а затем используют результаты виртуального ввода в эксплуатацию для повышения производительности, — поясняет Дуклер. — Пользователи могут подготовить виртуальную установку, выявить и исправить все ошибки за несколько недель до реального запуска в цехе». Эта программа позволяет:

  • Отладить и проверить программный код ПЛК в виртуальной среде;
  • Проверить все вероятные сценарии работы реального производственного модуля с помощью имитации дефектов, таких как отказ датчика, механическая неисправность, аварийный останов и отключение электропитания;
  • Повысить эффективность производства;
  • Работать с любым существующим на рынке ПЛК, включая Rockwell Automation, Mitsubishi Electric, Omron, Schneider Electric и Siemens.

Виртуальный ввод в эксплуатацию проводится для отдельных роботизированных участков, однако согласование механических и электрических систем управления нескольких участков в виртуальной производственной линии является достаточно сложной задачей. Разнообразие ПЛК и HMI — лишь одна из причин возникающих затруднений. Но возможно, 2008 год станет годом больших достижений в этой области.

Siemens активно работает с клиентами для развития систем виртуального ввода в эксплуатацию и других решений PLM под названием «Project Archimedes». Партнерство Dassault Systemes/Rockwell Automation обещает продемонстрировать результаты в первой половине 2008 г., хотя компании не сообщили, какие специальные функции будут включены.

В General Motors, по словам Вудхеда, интеграция данных всех типов, включая интеграцию систем виртуального ввода в эксплуатацию и MES-систем, остается важной задачей. Его компания ищет инструменты, обеспечивающие управление разработкой на протяжении всего жизненного цикла продукта, пытаясь перейти от конструирования, где основой является требуемая продукция, к комплексному конструированию с активным использованием цифровых инструментов.

«Мы бы хотели более эффективно использовать системы управления данными изделия (PDM) и системы организации запросов и визуализации, помогающие инженерам быстро находить необходимую информацию. В GM ведут поиск более широкого применения цифровым данным. Например, мы передаем сгруппированную информацию на производственный уровень, но сталкиваемся с большими трудностями при обновлении данных с этого уровня», — говорит Вудхед.

Род Браун, менеджер по программам управления в Kuka Systems, сообщает, что они ищут «подробную последовательность операций, проверенную с помощью имитации процессов, с использованием нескольких моделей, различным временем цикла, пропускной способностью и т.д… Нам также требуются различные средства автоматического сбора данных о работе этих моделей, таких как величина хода и диаметр цилиндра, необходимых разработчикам оборудования».

Производители утверждают, что клиенты хотят использовать более интеллектуальное программное обеспечение, включающее все компоненты системы в модель, например, программу ПЛК и HMI. Им нужно быстро отображать входы/выходы и параметры сигнала в виртуальной среде. Все проектные данные должны располагаться в одном месте, где пользователи могут изменять электрические и механические параметры и технологический маршрут. Требуется большая точность моделей, и для определенных задач должна существовать последовательность выполняемых действий. И, конечно, стоимость лицензионного программного обеспечения должна быть как можно меньше.

Но для того, чтобы получить все необходимое, пользователи готовы инвестировать в это программное обеспечение, от которого сейчас ждут значительных изменений. Толчком может стать бурный рост трехмерных видеоигр и компьютерной виртуальной реальности. При этом необходимая модернизация будут происходить быстрее под влиянием острой конкуренции и других факторов. Но результат остается тем же: все больше и больше производителей открывают для себя преимущества PLM и используют его для увеличения гибкости проектирования производственных линий.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *